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Human-Computer Interaction
Chapter · January 2004
CITATIONS
427
4 authors, including:
Alan Dix
University of Birmingham
353 PUBLICATIONS 7,777 CITATIONS
SEE PROFILE
READS
72,848
Gregory Abowd
Georgia Institute of Technology
341 PUBLICATIONS 25,747 CITATIONS
SEE PROFILE
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BadIdeas Creativity and Innovation View project
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Human-Computer Interaction
Alan Dix, Janet Finlay, Gregory D. Abowd, Russell Beale
February 13th, 2005
Contents
Preface
1 The human
1.1
1.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Input-output channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Touch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4 Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Human memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sensory memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1
1.3.2
Short-term memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.3 Long-term memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Thinking: reasoning and problem solving . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Reasoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Problem solving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3
Skill acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.4 Errors and mental models . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Emotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6
Individual di⁄erences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Psychology and the design of interactive systems . . . . . . . . .
1.7.1 Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.2 Models to support design . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.3 Techniques for evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 The computer
2.1
2.2 Text entry devices
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 The alphanumeric keyboard . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Chord keyboards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Phone pad and T9 entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Handwriting recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5
Speech recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Positioning, pointing and drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 The mouse
2.3.2 Touchpad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Trackball and thumbwheel . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4
Joystick and keyboard nipple . . . . . . . . . . . . . . . .
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9
CONTENTS
2.6 Physical controls, sensors and special devices
2.3.5 Touch-sensitive screens (touchscreens) . . . . . . . . . . .
Stylus and lightpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.6
2.3.7 Digitizing tablet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.8 Eyegaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.9 Cursor keys and discrete positioning . . . . . . . . . . . .
2.4 Display devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
2.4.1 Bitmap displays, resolution and color
2.4.2 Technologies
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Large displays and situated displays . . . . . . . . . . . .
2.4.4 Digital paper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Devices for virtual reality and 3D interaction . . . . . . . . . . .
2.5.1 Positioning in 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2
3D displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
Special displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1
2.6.2
Sound output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.3 Touch, feel and smell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.4 Physical controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.5 Environment and bio-sensing . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Paper: printing and scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.1 Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.2 Fonts and page description languages
. . . . . . . . . . .
Screen and page
2.7.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.4
Scanners and optical character recognition . . . . . . . . .
2.8 Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
2.8.1 RAM and short-term memory (STM)
2.8.2 Disks and long-term memory (LTM) . . . . . . . . . . . .
2.8.3 Understanding speed and capacity . . . . . . . . . . . . .
2.8.4 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.5
Storage format and standards . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.6 Methods of access
2.9 Processing and networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9.1 E⁄ects of nite processor speed . . . . . . . . . . . . . . .
2.9.2 Limitations on interactive performance . . . . . . . . . . .
2.9.3 Network computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 The interaction
3.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Models of interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 The terms of interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 The execution-evaluation cycle . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 The interaction framework . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Frameworks and HCI (gure 3.3) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Ergonomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Arrangement of controls and displays
. . . . . . . . . . .
3.4.2 The physical environment of the interaction . . . . . . . .
3.4.3 Health issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 The use of color (guidelines) . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.5 Ergonomics and HCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interaction styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5
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17
CONTENTS
3.6 Elements of the WIMP-interface
3.5.1 Command line interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 Menus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3 Natural language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.4 Question/answer and query dialog . . . . . . . . . . . . .
3.5.5 Form-lls and spreadsheets
. . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.6 The WIMP interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.7 Point-and-click interfaces
. . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.8 Three-dimensional interfaces
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 Windows
3.6.2
Icons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.3 Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.4 Menus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.5 Buttons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.6 Toolbars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.7 Palettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.8 Dialog boxes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7
Interactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8 The context of the interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9 Experience engagement and fun . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9.1 Understanding experience . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9.2 Designing experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9.3 Physical design and engagement
. . . . . . . . . . . . . .
3.9.4 Managing value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Paradigms
4.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Paradigms for interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Time sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Video display units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Programming toolkits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Personal computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5 Window systems and the WIMP interface . . . . . . . . .
4.2.6 The metaphor
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.7 Direct manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.8 Language versus action . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.9 Hypertext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.10 Multi-modality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.11 Computer-supported cooperative work . . . . . . . . . . .
4.2.12 The world wide web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.13 Agent-based interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.14 Ubiquitous computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.15 Sensor-based and context-aware interaction . . . . . . . .
5 Interaction design basics
5.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 What is design? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 The golden rule of design . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 To err is human . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 The central message: the user . . . . . . . . . . . . . . . .
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26
CONTENTS
5.3 The process of design (see also g. 5.1) . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 User focus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Scenarios
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 Navigation design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Local structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.1
5.6.2 Global structure - hierarchical organization . . . . . . . .
5.6.3 Global structure - dialog . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.4 Wider still . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7 Screen design and layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7.1 Tools for layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7.2 User actions and control . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7.3 Appropriate appearance . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Iteration and prototyping(hill-climbing approach, local & global
maxima, see also g 5.14) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.8
6 HCI in the software process
6.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 The software life cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Activities in the life cycle (g 6.1)
. . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Validation and verication . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.3 Management and contractual issues
. . . . . . . . . . . .
Interactive systems and the software life cycle . . . . . . .
6.2.4
6.3 Usability engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Problems with usability engineering . . . . . . . . . . . .
Iterative design and prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1 Techniques for prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2 Warning about iterative design . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Design Rationale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1 Process-oriented design rationale . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2 Design space analysis
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3 Psychological design rationale . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4
7 Summary chapter 9: Evaluation techniques
7.4
7.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Goals of evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Evaluation through expert analysis . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1 Cognitive walkthrough . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2 Heuristic evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3 Model-based evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.4 Using previous studies in evaluation . . . . . . . . . . . .
evaluation through user participation . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.1
Styles of evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Emperical methods: experimental evaluation . . . . . . .
7.4.3 Obsevatinal techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.4 Query techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.5 Evaluation through monitoring physiological responses . .
7.5 Choosing an evaluation method . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.1 A classication of evaluation techniques . . . . . . . . . .
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38
39
CONTENTS
8 Summary chapter 10: Universal design
8.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 Universal design principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Multi-modal interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sound in the interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1
8.3.2 Touch in the interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.3 Handwriting recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.4 Gesture recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4 Designing for diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1 Designing for di⁄erent age groups . . . . . . . . . . . . . .
8.4.2 Designing for cultural di⁄erences . . . . . . . . . . . . . .
9 Summary chapter 11: User support
9.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Requirements of user support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3 Approaches to user support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 Adaptive help systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.1 Knowledge representation: user modelling . . . . . . . . .
9.4.2 Knowledge representation: domain and task modeling . .
9.4.3 Knowledge representation: modeling advisory strategy . .
9.4.4 Techniques for knowledge representation . . . . . . . . . .
9.4.5 Problems with knowledge representation and modeling . .
9.4.6 Other issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5 Designing user support systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.1 Presentation issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.2
Implementation issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 Summary chapter 19: Groupware
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Groupware systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Computer-mediated communication . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1 E-mail and bulletin boards
. . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.2 Structured message systems . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3 txt is gr8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.4 Video conferences and communication . . . . . . . . . . .
10.3.5 Virtual collaborative environments . . . . . . . . . . . . .
10.4 Meeting and decision support systems . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.1 Argumentation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.2 Meeting rooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.3 Shared work surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Shared applications and artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.1 Shared PCs and shared window systems . . . . . . . . . .
10.5.2 Shared editors
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.3 Co-authoring systems
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.4 Shared diaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.5 Communication through the artifact . . . . . . . . . . . .
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CONTENTS
11 Summary chapter 20: Ubiquitous computing and augmented
realities
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Ubiquitous computing applications research . . . . . . . . . . . .
11.2.1 Dening the appropriate physical interaction experience. .
11.2.2 Application themes for ubicomp . . . . . . . . . . . . . .
11.2.3 Understanding interaction in ubicomp . . . . . . . . . . .
11.2.4 Evaluation challenges for ubicomp . . . . . . . . . . . . .
11.3 Virtual and augmented reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.1 VR technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.2 Immersive VR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.3 VR on the desktop and in the home . . . . . . . . . . . .
11.3.4 Command and control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.5 Augmented reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.6 Current and future applications of VR . . . . . . . . . . .
11.4 Information and data visualization . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.1 Scientic and technical data . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.2 Structured information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.3 Time and interactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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